基于TDOA定位算法的改进

在我们日常生活中，使用最广泛的定位技术是GPS技术。但是GPS定位技术因为其功耗比较高，必须在开阔的地方使用，并不适合于在封闭的楼层和地下环境等室内环境，而且它的定位精度相对来说比较低，并不能满足室内定位的定位精度要求。如果要在室内定位系统中使用GPS技术，则可以增加一些辅助，即使加了辅助，由于室内环境的复杂性，无线信号的多径效应和反射比较严重，GPS信号在室内会变差，这样使得许多基于室内位置服务的应用变得没有意义。所以，GPS定位技术不再适合于室内定位系统。根据室内环境的这杂多变性，人们在室内定位方面不断地提出解决方案和实现方法，可以利用无线传输技术来进行室内定位，例如无线局域网络、超声波、蓝牙、ZigBee等来进行室内定位。虽然目前对室内定位系统的研究比较多，但是缺少性能比较完善且价格比较低廉的室内定位系统。室内定位算法研究现状介绍无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)WSN是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)RSSI是接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分，用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度。它通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术。如无线传感的ZigBee网络CC2431芯片的定位引擎就采用的这种技术、算法。接收机测量电路所得到的接收机输入的平均信号强度指示。这一测量值一般不包括天线增益或传输系统的损耗。室内定位技术1、超声波定位技术2、Bluetooth定位技术3、Wi-Fi定位技术4、RFID（射频识别）定位技术5、ZigBee定位技术1、超声波技术该技术是采用反射式测距法和三角定位算法来实现定位。其主要原理是：发射结点发射超声波信号并且接收由被测物产生的回波，然后，根据回波与发射波之间的时间差来计算出待定位物体间的距离。其优点是由于超声波的速度传播较低，用于室内定位精度较高；超声波定位设备价格较低且较简单。缺点是超声波因为无法穿透墙壁和一些障碍物，所以受非视距传播和多径效应的影响比较大，而且它还需要投资大量的底层硬件设施，投资成本比较高。2、Bluetooth定位技术它是由一种短距离的低功耗的无线传输技术，Bluetooth局域网接入点，把网络配制成一种基于多用户的基础网络连接模式，并保证Bluetooth局域网的接入始终是这个微微网的主设备，这样就可以成功过得用户的位置信息，从而实现定位。其优点是容易发现设备信号传输不易受视距的影响，而且设备体积小、易于集成，因此很容易推广普及。缺点是Bluetooth设备价格比较贵，对于复杂的空间环境，稳定性稍差，而且蓝牙协议栈比较复杂。3、Wi-Fi定位技术它是基于无线局域网络系列标准的一种定位解决方案。其优点在于无线电波的覆盖范围广，半径则可达100米；采用波段是2.4GHz；容易安装，基站需求少，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。缺点是很容易收到其他信号的干扰，从而影响其精度。近来，WiFiSLAM公司创始人在“WiFi室内精准定位你的位置”中声称：“精确度会随着你与室内环境的互动而产生变化”。通过结合周边WiFi网络的“印迹”及手机内置的加速度计和指南针来定位手机的所在，定位精度在十来步之内。4、RFID（射频识别）定位技术采用射频方式进行非接触式的双向的通信方式交换数据达到识别和定位的目的。优点是标识的体积比较小，造价比较低，定位精度较高，且传输范围较大，同时它是其非接触和非视距传播。缺点是传输距离较近，一般最长为几十米。而且节点不具有通信能力，不利于集成到其他系统之中。5、ZigBee定位技术它是一种新兴的低速率的短距离的无线网络技术。ZigBee协议具有一套全球统一的、完整的、开放的标准，它有自己的无线电标准，可以在数千个微笑的传感器之间进行相互协调通信并且是限定位。ZigBee具有网络容量大、低功耗、低速率、低成本、近距离、时延短。安全级别高、传输范围小和支持网络节点多等优点。在实验室环境中表现良好，但是由于环境因素变换的原因，在实际应用中，我们往往还需要对其进行进一步的研究和改进。基于RSSI测距定位1、RSSI测距原理和信道模型基于RSSI测距定位方法主要测量距离和坐标计算两个步骤组成。RSSI测距原理是指在已知无线发射节点的发射信号强度条件下，无线接收节点首先根据接收到来着发射节点的信号强度计算出无线信号的传播损耗，然后通过理论模型或者经验模型将无线信号的传播损耗转化为距离，最后再利用定位算法计算出节点的位置，从而实现定位。如图1所示：图1RSSI测距使用的无线信号传播模型包括经验模型和理论模型，本文采用传播理论模型来建模。因为多径信道接收到的信号强度一般被认为是服从对数正态分布的，所以本文中采用对数距离路径损耗模型来建模如式（1）所示：（1）其中，与分别为定位节点在距离为d和参考距离时对应的d0接收信号功率（dBm）；d0为参考距离（m），一般为1，是一个零均值的高斯随机变量（dBm），反应了当距离一定时，接收信号功率的变化，通过对，分析建立合适噪声差模型，可以有效补偿环境的误差；n为路径损耗指数，一般取值1~7，是一个与环境相关的值，建筑物室内环境视距传播为1.4~1.8。0100()()10log(/)PldPldnddX()Pld0()PldXX接收端的信号强度如式（2）所示（2）Pt为信号的发射功率，根据CC2430手册可知Pt=-0.1dBm，Pr(d)为接收信号强度（dBm），即RSSI，Pl(d)即为经过距离d后的路径损耗。因此，在已知发射功率的情况下，通过测量得到接受功率，然后计算路径传播损耗就可以求出距离。根据式（1）模型和式（2），接收端的信号强度如式（3）：（3）Pr()()tdPPld1010log()RSSIAnd其中，A为每米信号接收强度，取负值，对式（3）进行等价变化，可得出式（4）：（4）0()tAPPldX()/(10)10ARSSInd2、计算节点位置坐标的基本方法在二维空间定位中，至少需要三个锚节点和一个定位节点才能根据三角形定理计算出坐标的位置。1.三边测量法已知A,B,C三个锚节点的坐标分别为，假设定位节点D正好是以三个锚节点的半径作圆的交点，如图2所示。当三圆交于一点时，根据三边定位算法的原则，可以得出式（5）求出定位节点的坐标D(x,y)。图2三圆交于一点（5）(,),(,),(,)aabbccxyxyxy,,abcrrr222222()()()()()()aaaaaaaaaxxyyrxxyyrxxyyr由公式（5）经过线性化过程，可以得到线性化方程组式（6）：AX=B(6）其中，X=，A=，B=式（6）经过解线性方程组，可得定位节点的坐标D（x,y）。2.三角形质心算法在实际室内环境情况中，由于RSSI测距存在着较大的误差，这是因为实际的路径损耗模型它比理论模型的数值存在的偏差较大，也就是说通过测距定位测量出来的定位节点到锚节点的距离d总是会大于锚节点与定位节点之间的实际距离r。原来以A、B和C三点为圆心，以为半径作圆作圆的三个圆不再相交于一个交点D，而是相交于一个区域，这三个圆两两相交[]xy2(),2()[]2(),2()acacbcbcxxyyxxyy222222222222[]acaccabcbccbxxyyrrxxyyrr,,abcddd于e，f，g三个交点，则根据三角形质心算法的特性，三条交线将相交于一个交点，为质心。根据三角形的性质，可得出式（7）：（7）由公式（7）经过线性化过程，可以得到线性化方程组式（8）：AX=B（8）其中，X=，A=，B=式（8）经过解线性方程组，可得出交点坐标，同可以得出。1D222222()()()()()()eaeaaebebbececcxxyydxxyydxxyyd[]eexy2(),2()[]2(),2()acacbcbcxxyyxxyy222222222222[]acaccabcbccbxxyyddxxyydd(,)(,)ffggfxxgxx结合质心定位算法，可以通过下式（9）求出定位节点坐标D（x,y）。（9）式（9）所示的三角形质心定位算法是质心算法的一个特例。质心定位算法非常简单，只要先确定好这个包含定位节点的区域，就可以直接求解出这个区域的质心。我们一般将多边形的几何中心作为这个多边形的质心，这个多边形的顶点坐标的平均值就是该质心节点（x,y）的位置坐标。设多边角形顶点的位置向量为，则质心节点的坐标可由式（10）得出：（10）3efgxxxx3efgyyyy(,)iixx11111(,)(,),nniiiiDxyxynn质心算法虽然实现起来非常简单、且它的通信开销较小，但是它是在假设所有节点都拥有理想的球形的无线信号传播损耗模型的情况下进行的，而且实际上的信号传播模型与理想的模型是存在很大的差别的，并且是用质心作为实际位置，它本身就是一种估计，这个算法估计的精确度和锚节点的密度有很大的关系，而且节点的分布密度越大，越均匀，它的定位精度就越高，反之，则越低。因此我们常常将它当作为一种实现粗略定位的定位估计算法。因此，实际中需要对该算法进行进一步的算法改进，以达到提高定位精度的目的。